DE2336223A1

DE2336223A1 - Verfahren zur informationsuebertragung mittels elektronenstrahlanlagen

Info

Publication number: DE2336223A1
Application number: DE19732336223
Authority: DE
Inventors: Adolf Dr Ing Schmitt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-07-17
Filing date: 1973-07-17
Publication date: 1975-02-06

Description

"Verfahren zur Informationsübertragung mittels Elektronenstrahlanlagen"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Informationsübertragung mittels Elektronenstrahl zum Zwecke der Beschriftung und Signierung metallischer oder nichtmetallischer Oberflächen. Beispielsweise von Werkzeugen oder Verschleißflächen an Bauelementen.

Es ist technisch erforderlich und allgemein üblich, Werkzeuge, Baugruppen oder einzelne Bauelemente zu signieren. Diese Kennzeichnung ist aus Gründen der Zuordnungsfähigkeit oder Unterscheidbarkeit nach technischen Merkmalen notwendig. Als Beschriftungsverfahren haben sich verschiedene Ausführungsarten des Stempeins, Ätzens und Gravierens im Fertigungsprozeß eingeführt.

Nicht jedes dieser Verfahren ist universell einsetzbar, da abhängig vom Anwendungsfall bestimmte technologische Probleme auftreten können. Insbesondere bei der Beschriftung von Werkzeugschäften bereiten diese Verfahren immer wieder Schwierigkeiten.

Die Forderung nach guter Lesbarkeit der Beschriftung bei gleichzeitig langer Lebensdauer derselben über die gesamte Einsatzdauer des Werkzeuges hinweg, läßt sich prinzipiell nur durch Stempeln oder Gravieren im ungehärteten Zustand erreichen. Nur diese Verfahren bringen eine erforderliche Schrifttiefe, die den zwangsläufigen, beim Einsatz der Werkzeuge vorhandenen Abrieb der Schaftoberfläche als Verschleißfläche überdauern. Die Nachteile dieser Verfahren liegen darin, daß

1. durch das Signieren im ungehärteten Zustand Möglichkeiten der Rationalisierung bezüglich der Vorfertigung durch Typenfestlegungen eingeschränkt werden.

2. unsymetrisch verlaufende Spannungen im Werkzeug, vor allem beim Stempeln, erzeugt werden, die zu Verzügen und damit zu Schwierigkeiten bei nachfolgenden thermischen Behandlungen und Arbeitsoperationen führen.

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3. die beim Beschriften erreichten Schrifttiefen durch nachträglich notwendige Bearbeitungsverfahren, z. B. das Schaftschleifen, vermindert wird, oder durch Verzüge ungleiche Schrifttiefen an verschiedenen Stellen des Schriftfeldes hervorgerufen werden.

Um diese Nachteile zu umgehen, werden die Werkzeuge im allgemeinen nach dem letzten Arbeitsgang im gehärteten Zustand durch ein elektrostatisches Ätzen mittels einer den Beschriftungstext tragenden Matrize signiert.

Dieses Verfahren liefert einen für die Lesbarkeit zufriedenstellenden Kontrast, erzeugt aber eine sehr geringe Schrifttiefe, so daß der Informationsinhalt vielfach schon nach dem ersten Einsatz des Werkzeuges verloren geht.

Weitere Nachteile dieses Verfahrens sind

1. die Beschriftung muß weitgehend manuell durchgeführt werden und ist von der Reaktionsdauer des Ätzmittels her in der Beschriftungsgeschwindigkeit begrenzt.

2. je nach Oberflächenbehandlung der zu beschriftenden Oberfläche sind die Kontrastunterschiede sehr groß.

3. das Ätzmittel muß jeweils nach dem Beschriften neutralisiert werden, so daß zusätzliche Arbeitsgänge wie Waschen und Rückfetten erforderlich sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Beschriftung und Signierung metallischer oder nichtmetallischer Oberflächen von Werkzeugen und Verschleißflächen allgemeiner Art anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und das es ermöglicht die für die hohe Lebensdauer geforderte Schrifttiefe in gehärteten Materialoberflächen zu erreichen sowie einen hohen Grad der Automatisierung bei größtmöglicher Flexibilität zu realisieren.

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Bei dem neuen Verfahren wird zur Übertragung der festzuhaltenden Information auf die zu beschriftende Oberfläche ein Elektronenstrahl verwendet.

Es sind Verfahren und gerätetechnische Anlagen bekannt, mit deren Hilfe Energieübertragungen mittels Elektronenstrahl vorgenommen werden. Diese Verfahren werden für bestimmte Technologien bei der Materialbearbeitung, wie zum Beispiel Trennen und Fügen und hier insbesondere'bei Bohr- und Schweißoperationen angewandt.

Die Funktionsweise dieser Verfahren beruht darauf, daß ein Elektronenstrahl, der in seiner Strahlintensität mittels Beschleunigereinrichtungen steuerbar ist, mit Hilfe geeigneter elektronenoptischer Elemente zu einem Strahl hoher Energiedichte gebündelt wird. Während für die Materialabtragung beim Bohren und Fräsen die Energiedichte so gewählt wird, daß durch örtliche Überhitzung Material verdampft wird, wird beim Schweißen lediglich ein Erschmelzen der im Strahlbereich liegenden Materialzonen angestrebt. Die Möglichkeit Material mittels Elektronenstrahl verdampfen zu können wird technisch auch für Bedampfungsanlagen, sowie im Falle der Materialschmelzung für Schmelzanlagen ausgenutzt.

Es sind darüber hinaus Verfahren bekannt, bei denen eine Informationsübertragung mittels Elektronenstrahl vorgenommen wird. Diese beruhen darauf, Informationsinhalte eines Datenträgers auf eine Materialoberfläche zu übertragen. Als Datenträger dient bei diesen Verfahren eine im Strahlengang angeordnete mechanische Blende die das maßstäblich verkleinerte Abbild des zu übertragenden Informationsinhaltes, beispielsweise Schriftzüge enthält. Durch Abrastern dieser Blende im "Scaning-Verfahren" kann eine im Abbildungsmaßstab bedingt wählbare "Kopie" des Blendeninhaltes erzielt werden.

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß im wesentlichen eine originalgetreue, mechanische Kopie des zu vervielfältigenden Signums in Form einer Strahlenblende vorliegen muß, deren mechanische Fehler aufgrund der zwangsläufig vorhandenen Herstelltoleranzen, bei vergrößerter Abbildung zu ungenauen Abbildungen führt. Es werden daher vorwiegend maßstäblich gleiche, oder nur geringfügig vergrößerte Abbildungen der Strahlenblende vorgenommen.

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Die Grenzen des Verfahrens liegen auch in dem vom Bildquerschnitt her begrenzten, mechanisch unterzubringenden Informationsinhalt. Ferner ist die Flexibilität derartiger Einrichtungen außerordentlich gering und die Herstellung der Strahlenblenden bei komplizierteren Abbildungsinhalten aufwendig und teuer. Weiterhin sind Verfahren bekannt die zum Zwecke der Materialbearbeitung Elektronenstrahlanlagen verwenden, bei denen der Elektronenstrahl durch programmtechnische Einrichtungen zeit- und ortsabhängig gesteuert wird (DBP 1.053.691, DBP 1.058.655).

Diese Verfahren bedienen sich als Datenträger eines Magnetbandes dessen Programmierung über kompliziert aufgebaute Kodier - und Dekodiereinrichtungen vorgenommen werden muß.

Das Verfahren zur Informationsübertragung mittels Elektronenstrahl gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein mittels an sich bekannter Einrichtungen erzeugter Elektronenstrahl durch die gerätetechnische Kombination mit einem ebenfalls an sich bekannten frei programmierbaren Prozessrechner, die Objektfläche, eines Werkstückes impulsmäßig, zeit- und ortsabhängig gesteuert überstreicht und dabei durch partielle Materialverdampfung ein im Vergrößerungsmaßstab beliebig wählbares, Rasterbild des dem Prozessrechner eingegebenen Informationsinhaltes erzeugt.

Bei dem neuen Verfahren wird also zur Steuerung des Elektronenstrahles ein frei programmierbarer Prozeßrechner, in Verbindung mit einer elektonischen Steuereinrichtung verwendet.

Die Funktionsweise des der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens beruht darauf, daß durch den Aufbau einer gerätetechnischen Anlage, mit an sich bekannten Einrichtungen und Elementen, eine zwangsweise, ortsabhängige Steuerung und Pulsung des Elektronenstrahls mit diskreter, bildpunkthafter Materialabtragung erreicht wird, wobei über den Prozeßrechner alle Funktionsabläufe der Strahlablenkung und Pulsung sowie der Koordinatensteuerung und Regelung des Objektträgers vorgenommen werden.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:,

Fig. 1 das Funktionsschema, einer nach dem neuen Verfahren arbeitenden Vorrichtung zur Beschriftung gewölbter Flächen an rotationssymmetrischen Körpern; Fig. 2 das programmierbare Bildpunktraster des Bildfeldes mit symbolisch dargestellten alpha-numerischen Zeichen; Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Beschriftung ebener Flächen; Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Beschriftung ebener Flächen.

Die Funktionsweise des neuen Verfahrens beruht darauf, daß ein Elektronenstrahl mittels einer an sich bekannten Elektronenstrahlquelle (1) erzeugt und durch ein elektronenmagnetisches Linsensystem (4) fokussiert und über ein Ablenksystem (5) zellenförmig (24) über das Bildfeldraster abgelenkt wird. Die Steuerspannung kann, wie im Ausführungsbeispiel, als analoge Steuerspannung, oder aber in Form digitaler Spannungssprünge an das Ablenksystem angelegt werden.

Eine ebene Abbildung, oder eine in die Ebene abgewickelte Abbildung des Bildfeldrasters erhält man dadurch, daß nach Durchlaufen einer Bildfeldzeile der Elektronenstrahl an den Anfang der Bildfeldspalten zurückkehrt.

Die Zeilenschaltung wird im Ausführungsbeispiel durch einen Schrittmotor (20) bewirkt. Der Vorgang als solcher ist als "Rastern" oder "Scaning" eines Bildfeldes in üblichen Verfahren mit zweidimensionalen Ablenksystemen bekannt.

Dieses Bildfeldraster wird in seinen Knotenpunkten (22) programmtechnisch mit diskreten Steuerbefehlen (23) belegt und über eine Eingabeeinrichtung (15) einem elektronischen Prozessrechner (14) eingegeben. Beim Programmstart wird ein Impulsgenerator (13) angestoßen, mit dessen Ausgangsfrequenz in der Größenordnung von 70 - 100 KHz das Progratnmras ter abgetastet wird.

Gleichzeitig laufen diese Tastimpulse in einen Impulszähler (10), der je Zeile die ankommenden Impulse aufsummiert.

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Der Ausgang des,Zählers wird bitseriell über einen Digital-Analogwandler (9) in eine Steuerspannung für das Ablenksystem (4) umgewandelt. Der Ablenkungsbereich und damit die Auflösung wird über den einstellbaren Verstärkerfaktor des Steuerspannungs-Verstärkers (8) erreicht.

Nach Durchlaufen jeweils einer Zeile, wird der Impulszähler durch einen vom Programm ausgelösten Setzimpuls auf "Null" zurückgestellt. Dadurch wird der Elektronenstrahl sprunghaft in seine Ausgangslage zurückgelenkt. Entsprechend der am Zählerausgang durch die Impulszählung anliegenden Summenspannung, erfolgt eine erneute Auslenkung des Elektronenstrahles.

Die Zeilenfortschaltung wird so erreicht, daß parallel zum Impulszähler (10) ein Frequenzteiler (12) liegt, der die vom Impulsgenerator (13) ankommenden Impulse im Verhältnis der innerhalb des Bildfeldrasters gewünschten Auflösung m : 1 herunterteilt. Der Ausgang des Frequenzteilers liegt an dem Eingang eines logischen UND-Gatters (16). Gleichzeitig laufen die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers in die Programmsteuerung zur Synchronisierung der Zeilenrastung und der Zähler-Nullsetzung. Von der Programmsteuerung wird zu Beginn einer jeden Zeilenrastung ein Schaltimpuls auf den zweiten Eingang des UND-Gatters (16) gelegt, so daß am Ende jeder Zeile durch den vom Frequenzteiler kommenden Impuls das UND-Gatter den Zeilenimpuls auf einen Speicher (17) laufen läßt. Die vom Speicher (17) festzuhaltende Impulszahl ist einstellbar, so daß eine Mehrfachzeilenschaltung mit einem, in der Darstellung nicht wiedergegebenen, zweiten Strahlenablenksystem, dessen Ablenkrichtung senkrecht zur Zeilenablenkung liegt, erreicht wird.

Der Impulsinhalt des Speichers (17) ist die Führungsgröße des Steuerspannungsverstärkers (19), im Ausführungsbeispiel eine Schrittmotorsteuerung. Die von der Motorwelle durchlaufenen Drehwinkel werden über eine digitale Drehwinkel-Meßeinrichtung (18) an den Speicher (17) zurückgemeldet und so dessen Inhalt zurückgezählt. Im Falle einer Schrittmotorsteuerung kann bei geeigneter Auslegung des Lastträgheitsmomentes auf eine Rückmeldung verzichtet werden und der Antrieb als offene Steuerkette gefahren werden.

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Während dieses Rastervorganges wird der Elektronenstrahl in an sich bekannter Weise nur dann auf Durchgang geschaltet, wenn innerhalb des Bildfeldrasters vom PRogramm her Ortspunkte (23) angesprochen werden, die einen Steuerimpuls auf ein logisches UND-Gatter (11) auslösen. Das heißt, der dem jeweiligen Bildpunkt im Raster entsprechende Zeilenimpuls des Impulsgenerators (13) und der vom Programm her ausgelöste Steuerimpuls schalten über das UND-Gatter (11) einen elektronischen Schalter, der die Steuerspannung an die Elektronenstrahlquelle (1) durchschaltet und so den Elektronenstrahl als Kurzzeitimpuls im Bereich von 10 - 15 ,us einschaltet. Die entsprechend der Zeilenabtastung am Ablenksystem anliegende Steuerspannung läßt den Elektronenstrahl an der gewünschten Stelle auf der Objektoberfläche auftreffen.

Durch örtliche Materialverdampfung werden napfförmige Vertiefungen erzeugt, deren Größe durch Wahl der Strahlenintensität und Impulsdauer wählbar sind. Durch eine geeignete programmtechnische Lösung, beispielsweise unter Verwendung des bekannten 7/5-Gode, lassen sich alpha-numerische Informationen mittels des dem Erfindungsgedanken zugrundeliegenden Verfahrens auf Objekte, beispielsweise metallische oder nichtmetallische Oberflächen in ebener oder gekrümmter Ausführung, übertragen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Informationsübertragung mittels Elektronenstrahl zum Zwecke der Beschriftung und Signierung metallischer oder nichtmetallischer Oberflächen, beispielsweise von Werkzeugen oder Verschleißflächen an Bauelementen dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels an sich bekannter Einrichtungen erzeugter Elektronenstrahl durch die gerätetechnische Kombination mit einem ebenfalls an sich bekannten frei programmierbaren Prozessrechner, die Objektfläche, eines Werkstückes impulsmäßig, zeit- und ortsabhängig gesteuert überstreicht und dabei durch partielle Materialverdampfung ein im Vergrößerungsmaßstab beliebig wählbares, Rasterbild des dem Prozessrechner eingegebenen Informationsinhaltes erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenerzeugungssystem eine Laser-Lichtquelle ist, deren Lichtstrahl mittels an sich bekannter elektro - optischer Elemente ablenkbar und impulsmäßig auf Durchgang schaltbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1.) dadurch gekennzeichnet, daß die Signierung oder Beschriftung der Objektflächen blockförmig durch Aneinanderreihen von Bildfeldern vorgenommen wird, indem eine koordinatenförmige Bewegung des Objektes in diskreter, jeweils einer Bildfeldgröße entsprechenden Schritten, vorgenommen wird, während das einzelne Bildfeld im Rasterverfahren "beschrieben" wird.
4. Verfahren nach Anspruch I. und 3. gekennzeichnet durch die Anwendung zur Beschriftung rotationssymmetrischer Werkzeuge, insbesondere zur Beschriftung von Werkzeug'schäften.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3 gekennzeichnet, durch die Anwendung zur Beschriftung und Signierung ebener Flächen.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet, daß die Zeilenrastung des Bildfeldrasters mittels einer Schrittmotorsteuerung vorgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
DBP 1.053.691, DBP 1.058.655

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